石墨烯應用領域突破 下游醞釀萬億市場

　　應用領域不斷拓寬
　　石墨烯是目前所知最薄、最強和導電性最好的材料。研究發(fā)現(xiàn)，通過建立三維堆疊多層異質結構的石墨烯能夠制成具備極為敏感的高效光伏設備，可以利用太陽能產生電力。未來有望采用石墨烯制成轉換效率更高的新一代太陽能電池。
　　從當前的研究進展來看，石墨烯不僅可以制成太陽能電池用的透明電極，同時還可以用作插入半導體層之間的中間電極。石墨烯最能發(fā)揮威力的領域是有機薄膜太陽能電池領域。在太陽能電池中使用石墨烯作為中間電極的優(yōu)點在于，石墨烯是透明的，而且與半導體層的相容性較高。
　　化學摻雜可以大大降低石墨烯面電阻并調整石墨烯的功函數(shù)，制成柔性更高的透明導電薄膜。石墨烯制成的透明導電薄膜，不僅具備導電、透明等太陽能轉換器件所必備的性質，還具備金屬材料所不具備的柔性。同時，此種薄膜具備對中遠紅外線高透性質，能顯著提升太陽能的轉換效率，是新一代太陽能電池的理想材料。當前多晶硅太陽能電池轉換效率為30%，理論上石墨烯太陽能電池有望將轉換效率提升到60%，未來太陽能電池有望實現(xiàn)小型化。石墨烯可以彎曲且透明，未來有望將石墨烯太陽能電池安裝在建筑物外墻，使太陽能用于日常照明和采暖等日常應用。
　　目前，在石墨烯光伏材料研究領域處于領先地位的廠商之一是富士電機。該公司正在積極開發(fā)采用石墨烯制成的太陽能電池透明導電膜。
　　超級電容器是基于高比表面積炭電極/電解液界面產生的電容、或者基于過渡金屬氧化物/導電聚合物的表面及體相所發(fā)生的氧化還原反應來實現(xiàn)能量存儲和轉換的電子元件。其構造和電池類似，主要包括正負電極、電解液、隔膜和集流體。
　　作為一種新型儲能裝置，超級電容器具有體積小、輸出功率高、充電時間短、使用壽命長、工作溫度范圍寬、安全且無污染等優(yōu)點，有望成為未來新型的電源裝置。要制造出高性能的超級電容器，電極材料是超級電容器的關鍵所在，決定著電容器的主要性能指標，如能量密度、功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性等。目前，納米結構的活性炭、碳化物轉化炭、碳納米管、氧化釕、聚苯胺和聚吡咯等均已用于微型超級電容器的電極材料。但是上述材料整體性能不能滿足微型能源系統(tǒng)的要求。同時，制造微型超級電容的光刻工藝復雜，生產周期長，成本高昂，一定程度上制約了超級電容商業(yè)化進程。
　　試驗證明，石墨烯有望成為新型高效的超級電容器電極材料。目前已經研究出以石墨烯為基礎的新型微型超級電容器，此類電容器外形小巧，充放電速率高，同時具備極佳的機械柔性。與傳統(tǒng)固態(tài)電解質相比，石墨烯電介質可顯著提升電容器容量及耐用時間，可以與薄膜型鋰離子電池相媲美。這種新穎的石墨烯微型電容器有望應用于MEMS系統(tǒng)、便攜式電子設備、無線傳感網絡、柔性顯示器，以及其多種生物體內電子設備的儲能器件。
　　研究表明，石墨烯超級電容器的充放電速度比傳統(tǒng)電池快1000倍。此項技術若能商業(yè)化，未來汽車或手機充電時間有望大大縮短。目前，超級電容器主要的技術瓶頸在于提升介質能量密度，同時需要將成本降低。
　　觸摸屏是石墨烯未來應用的又一大熱點。近幾年隨著智能手機和平板電腦的大規(guī)模普及，全球觸摸屏需求量也隨之大幅增加。數(shù)據(jù)顯示，2013年全球電子設備觸摸屏總面積同比增長兩倍，達到2550萬平方米。預計到2015年，觸摸屏生產面積將達到3590萬平方米。
　　與傳統(tǒng)的ITO觸摸屏相比，石墨烯觸摸屏無毒環(huán)保，相比ITO使用有毒的稀有金屬銦，石墨烯對環(huán)境友好。其次，石墨烯的光學性能要優(yōu)于ITO，能部分消除鏡面反射，可有效解決長期困擾ITO的光學鏡面反射問題。在強光下，ITO屏幕會變黑，而同樣情況下的石墨烯觸摸屏鏡面反射會減弱很多。石墨烯還能折疊彎曲，未來有望延伸至移動智能穿戴設備領域。在未來的觸摸屏領域，石墨烯電容式觸摸屏有望替代現(xiàn)有的氧化銦錫（ITO）透明電極。
　　石墨烯觸摸屏研究處于前列的國家有美國、英國、日本和韓國。目前開始產業(yè)化的公司有韓國三星、日本索尼、二維碳素、美英的Cambrios Tec以及3M。日本東麗、東芝、索尼產研和信越化學、三星等廠商在石墨烯研究方面進展迅速。
　　近期有報道稱，IBM公司研制出首款由石墨烯圓片制成的集成電路。科學家預測，這項突破可能預示著未來有望采用石墨烯圓片來替代硅晶片。這塊集成電路建立在一塊碳化硅上，并且由一些石墨烯場效應晶體管組成。最新的石墨烯集成電路混頻最多可達10G赫茲，承受125攝氏度的高溫。
　　未來石墨烯集成電路有望使智能手機、平板電腦和可穿戴電子設備等電子終端運行速度更高、能效更低、成本更低。
　　生物傳感器是生命分析化學及生物醫(yī)學領域中的重要研究方向，已廣泛應用于臨床疾病診斷和治療研究。石墨烯制成的生物傳感器對生命分析領域的快速發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義。在基因組測序技術領域，最近成功開發(fā)出來的DNA感測器，是一種以石墨烯為基礎的場效應類晶體管設備，能探測DNA鏈的旋轉和位置結構。該感測器利用石墨烯的電學性質，成功實現(xiàn)檢測DNA序列的微觀功能。
　　蘇州納米研究所研究出使用PEG包被熒光標簽的納米石墨烯片（NGS）在體內的作用，在活體內異種皮膚腫瘤移植熒光成像中，NGS表現(xiàn)出了高腫瘤細胞攝取率。盡管對這種新型碳納米材料在體內表現(xiàn)還需要更多的認知以及長期的毒性研究，但是此種方法為石墨烯在諸如腫瘤治療的生物醫(yī)學領域提供了方向。